[첨단 헬로티]

우츠미 사토시(內海 聰) ㈜일본제강소

최근 유럽 시장을 중심으로 다색․이재질 성형이 주목을 받고 있다. 다색․이재질 성형이란 성형품의 사용 용도에 따라 색깔이나 재질이 다른 수지를 이용해 일체 성형을 하는 사출성형 기술로, 여러 색깔의 수지를 이용함으로써 디자인성 향상과 각각의 수지 성질을 활용한 고기능화, 사람에 의한 설치 작업 등 조립 공정 절감의 장점이 있다. 

이와 같은 성형품의 부가가치 향상과 타사와의 차별화를 목적으로 자동차·잡화·용기 등 다양한 업계에서 이용되는 기술로, 시장 요구가 증가하고 있다.

기존 다색·이재질 성형을 하기 위해서는 하나의 형체결장치에 대해 주사출 유닛과 부사출 유닛을 갖춘 전용 사출성형기가 필요했다. 전용기에는 성형품에 매치한 스펙을 탑재할 수 있는 장점이 있는 한편, 기계 본체가 고가이고 넓은 설치 공간이 필요하며 또한 다색․이재질 성형 전용 기계이기 때문에 범용성이 낮아 기피하는 경향이 있었다.

이에 표준적인 사출성형기에 대해 독립된 사출 유닛을 조합함으로써 다색·이재질 성형의 실현을 가능하게 하는 전전동 사출 서브 유닛 ‘FLiP 시리즈’를 신규 개발했으므로 소개한다. 그림 1에 서브 유닛의 외관, 표에 주요 사양을 나타냈다. 

특징

사출 서브 유닛 FLiP 시리즈(이하 서브 유닛)는 전전동 구동 방식을 채용하고 있다. 동사가 기존 사출성형기 개발에서 축적해 온 우수한 정밀 계량 기술을 포함해, 정밀 안정 성형을 실현하는 기술을 답습하고 있다. 그리고 전전동 구동 방식이기 때문에 작동유를 사용하지 않아 클린한 작업 환경에 대응할 수 있으며, 높은 에너지 절감 성능을 발휘한다.

FLiP라고 하는 명칭은 ‘Flexible Lightweight Injection Package’의 머리 문자가 유래로 되어 있으며, ‘고객의 요망에 유연하게 대응하는 소용량 사출 패키지’가 어원으로 되어 있다. 이 사출 유닛은 사출 용량이 다른 FLiP20․FLiP55(스크루 지름 : ø18～32mm, 이론 사출 체적 : 17～72cm3)의 2기종을 라인업한다. 개발 컨셉트인 ‘Compact & Flexibility’에 기초해 동 사출 유닛의 특징을 소개한다.

1. 공간 절감 : 설비 투자 절감

2. 여러 가지 설치 자세에 대응

3. 기존 기기/기존 설비에 대한 설치가 가능

4. 필요에 따라 설치․분리가 가능

1. 공간 절감 : 설비 투자 절감

다색·이재질 성형을 하는데 있어 중요한 점으로서 공간 절감(Compact)인 것을 들 수 있다. 표준적인 사출성형기에 대해 독립된 사출 유닛을 조합할 때, 성형기에 탑재한 금형에 대해 서브 유닛을 직접 그리고 여러 대 설치하는 것을 가정래 장치 전체를 가능한 한 콤팩트하게 설계하고 있다. 

일반적인 가로형 성형기의 사출 유닛은 전체길이를 최단으로 하기 위해 형체결장치의 폭에 들어가는 범위에서 폭넓게 구성 부품을 배치하는 경향이 있는데, 동 개발기는 오히려 길이가 긴 방향으로 구성 부품을 레이아웃한 폭협화에 금형에 대한 설치부 면적으로 최소로 했다.

그리고 서보 모터와 볼나사의 연결에 정밀한 위치결정 성능을 가진 감속기를 이용한 직결 구동 방식을 채용하고 있으며, 높은 응답성․추종성을 실현하고 있다. 또한 콤팩트하면서 높은 가소화 능력․정밀 성형 성능에 정평이 있는 동사 독자 제조의 스크루 실린더를 채용함으로써 엘라스토머를 비롯해 여러 가지 수지에도 대응 가능하다.

이와 같이 서브 유닛은 다색․이재질 성형 전용기에 비해 콤팩트하게 설계되어 있기 때문에 전용기만큼의 넓은 설치 면적을 고객의 공장에서 준비할 필요가 없어 설비 투자 비용도 저감할 수 있다.

2. 여러 가지 설치 자세에 대응

서브 유닛의 특징 중 하나로서 여러 가지 설치 자세에도 대응할 수 있는 유연성(Flexibility)가 있다. 성형기에 서브 유닛을 탑재하기 위해서는 설치 자세의 자유도가 높을 필요가 있다. 이것은 공장 레이아웃이나 주변기기, 취출기 등의 설치 상황에 따라 설치 위치․자세를 고객마다 변경하는 것이 요구되기 때문이다. 

이상으로부터 성형기에 탑재된 금형에 대해 상측에서 서브 유닛을 설치하는 것뿐만 아니라, 측면(조작측, 반조작측) 등 설치 방향을 변경할 수 있다. 또한 금형 구조나 금형 두께 등의 제약 때문에 금형에 대한 직접 설치가 어려운 경우는 고정반 등에 서브 유닛을 고정, 금형에 노즐 터치하는 방법도 채용하고 있다.

그림 2에 나타냈듯이 서브 유닛을 여러 대 조합해 사용함으로써 3색․4색 등 여러 가지 성형품에 대한 전용을 기대할 수 있다. 또한 조작측․반조작측에서 금형에 설치하기 위해 서브 유닛을 지지하는 가대를 준비하고 있다. 서브 유닛을 가대에 탑재한 채로 공장 내를 이동할 수 있을 뿐만 아니라, 높이 조정 기능이 있으므로 기계 높이가 다른 여러 가지 성형기에도 탑재가 가능하다.

3. 기존 기기/기존 설비에 설치가 가능

서브 유닛은 성형품에 대응해 여러 가지 기종에 탑재가 가능하다. 동사 전동 사출성형기는 소형 성형기에서 초대형 성형기까지(형체결력 : 30～3,000t)를 라인업하고 있으며, 성형품 사이즈나 떼기 수에 따라 최적의 기계를 폭넓은 기종의 조합 속에서 선택할 수 있다는 강점이 있다. 그 풍부한 기종 라인업에 서브 유닛을 탑재해 여러 가지 성형품․고객 요망․시장 동향에도 대응이 가능하다. 

그리고 탑재하는 성형기는 최신 시리즈인 ADS에 더해, 기존 AD 시리즈에도 대응하고 있다. 이와 같이 조합 자유도가 높은 것을 특징으로 하고 있다.

또한 신설 기기에 한하지 않고 기존 기기에도 탑재가 가능하다. 이미 고객의 공장에 납입된 기존 설비에 대해서도 서브 유닛을 후설치해 다색․이재질 성형을 실현할 수 있다.

4. 필요에 따라 설치․분리가 가능

플라스틱 사출성형 업계에서는 시장 동향이나 생산 상황에 따라 1대의 성형기로 여러 가지 제품을 생산하는 경우가 많다. 이와 같은 경우에도 서브 유닛은 필요에 따라 성형기에 설치하거나 떼어내는 것이 가능하다. 즉, 표준 성형과 다색․이재질 성형의 양쪽을 다루는 고객은 생산 계획 사정에 맞춰 사용 용도를 변경할 수 있다.

설치․분리가 쉽기 때문에 여러 대의 성형기를 소유하고 있는 고객은 생산 계획에 맞춰 서브 유닛을 다른 성형기로 이설할 수 있다는 특징도 겸비하고 있다. 이와 같이 여러 가지 생산 사정이나 상황에 따라 유연하게 대응할 수 있는 점에서, 전용기에 비해 서브 유닛은 장점이 있다.

5. 기타의 특징

(1) 제어장치 구성

제어 시스템은 고응답 제어에 정평이 있는 동사 오리지널 ‘SYSCOM3000’을 탑재한 가반식 독립 컨트롤러를 채용했다. 이 독립 컨트롤러 SY-SCOM3000은 2004년에 J-AD 시리즈를 출시한 이래, 그 사용성에 대해 호평을 받아 오랜 기간 동안 실적을 쌓아 왔다. 

15인치 TFT 컬러 액정 화면을 장비, 동일 화면 내에 조건 설정, 실측 모니터, 측정 파형 등을 동시 표시할 수 있으므로 조작성이 높은 컨트롤러이다.

동 독립 컨트롤러를 포함한 제어장치 구성을 그림 3에 나타냈다. 설치․분리를 쉽게 할 수 있게 설계된 케이블 하네스에 의해, 접속 작업의 간편화에도 주력하고 있다. 이 독립 컨트롤러는 성형기와 접속해 통신을 함으로써 성형기 측과 서브 유닛의 양쪽을 조작, 다색․이재질 성형을 실현한다.

(2) 안전 성능

서브 유닛은 앞에서 설명했듯이 여러 가지 설치 자세에 대응할 수 있기 때문에 용융수지의 비산이나 가동부에 대한 끼임 등에 대해 충분히 안전 대책을 강구할 필요가 있다.

상측 설치의 경우, 정전 등으로 갑자기 전원 공급이 차단되면, 사출 구동장치가 내려가 기계적인 충돌이나 용융수지가 비산할 가능성이 있다. 이것에 대해서는 사출․노즐 터치 각각의 축에는 브레이크가 있는 서보모터를 채용함으로써 전원 공급이 차단된 경우에도 위치를 유지할 수 있다. 

또한 측면 설치의 경우, 수지 비산이나 끼임에 의한 위험을 피하기 위해 안전펜스․안전문을 병용해 문이 열린 상태에서는 성형기와 서브 유닛이 연동해 서보 구동을 억제하는 기능도 장비하고 있다. 이것에 의해 안전성도 확보하고 있다.

성형 사례

다색․이재질 성형을 실현하기 위해 코어 회전․로터리․코어백․인서트 등 여러 가지 성형법이 개발되고 있다. 여기서는 코어백 기구와 DSI(Die slide injection) 기술을 서브 유닛과 조합한 2가지 사례를 소개한다.

1. 단차 코억백 기구를 이용한 성형 사례

그림 4에 나타낸 명함 케이스는 표준 성형기에 대해 서브 유닛을 조합해 실현한 2색 성형 사례이다. 왼쪽 그림은 주사출 유닛만을 이용한 성형품. 오른쪽 그림은 서브 유닛으로 JSW의 로고를 명함 케이스에 더한 성형품이다. 

․사출성형기 : J100ADS-60U

․서브 유닛 : FLiP20

․제품 정보 : 1차 성형 : 25g/2차 성형 : 1g

․수지 : PC L1225L

동 2색 성형을 실현한 금형은 단차 플레이트에 의한 코어백 기구를 채용하고 있다. 단차 형상을 가진 플레이트와 코어, 그리고 실린더 유닛으로 구성되어 있다. 금형 구조와 성형 프로세스를 그림 5에 나타냈다. 단차 플레이트는 판 모양으로 되어 있으며, 그 안쪽면이 가동형에 접해 슬라이드가 자유롭다.

① 단차 플레이트 하강

단차 플레이트가 하강한 상태를 초기 상태로 형체결 시작.

② 1차 성형

플레이트와 코어의 단차 산끼리 맞닿음으로써 스프링에 의한 코어의 후퇴를 규제, 1차 성형을 실시.

③ 단차 플레이트 상승

형체결력을 한번 개방하고, 실린더에 의해 단차 플레이트를 상승시킨 후 다시 형체결 시작.

④ 2차 성형

플레이트와 코어의 단차 산과 골이 맞물림으로써 스프링이 코어를 가동측으로 후퇴. 2차 성형을 실시.

이 구조에 의해 기존의 코어백 금형 구조에 비해 콤팩트하게 되며, 단차 플레이트의 슬라이드 스토로크가 작기 때문에 코어백에 필요한 시간이 짧아지고 사이클 타임의 단축이 가능하다.

2. DSI를 이용한 성형 사례

그림 6에 나타낸 혈액 필터도 서브 유닛을 이용한 성형 사례이다. 동사 고유 기술인 DSI 기술과 조합해 혈액 필터를 내장한 중공성형품도 성형 가능해졌다. 투명 수지는 1차 사출에 의한 성형품. 그리고 1차 성형품의 접합면 주변의 흑색 수지는 2차 사출에 의한 것이다. 

이 제품은 의료 용도에 사용되기 때문에 초음파 용착으로는 가루가 남는 문제가 있었는데, DSI에 의한 접합 방안으로는 가루가 발생하지 않기 때문에 품질 향상 효과도 얻을 수 있었다. 성형 프로세스를 다음에 나타냈다.

․사출성형기 : J85AD-60H

․서브 유닛 : FLiP20

․제품 중량 : 7.0g

․수지 : PP

① 1차 성형

중공성형품인 부품의 좌우 반을 한 번에 성형.

② 다이 슬라이드

형열림 후 DSI 동작에 의해 금형 캐비티를 슬라이드.

③ 성형품 조합

1차 성형으로 완성한 부품이 조합되도록 다시 형체결.

④ 2차 성형

서브 유닛에 의해 1차 성형품의 접합면을 사출 용착.

이와 같이 단차 플레이트에 의한 코어백 기구를 채용한 금형과 서브 유닛의 병용에 의해, 로고와 스테치 등 원 포인트를 성형품에 추가해 디자인성을 향상시킬 수 있다.

또한 기존 중공성형품을 성형하는 경우, 1차 성형을 끝낸 후에 다른 성형기로 바꿔 옮겨 2차 성형을 하는 공정이 필요했는데, DSI 기술과 서브 유닛을 조합해 맞춤면의 접합 수지도 다른 성형기로 바꿔 옮길 필요 없이 성형이 가능하다. 이것에 의해 중간 재고품을 보관하는 공간도 줄일 수 있다.

그 외에도 O링 등 실 부품을 사람이 설치하고 있는 경우도 서브 유닛을 사용함으로써 엘라스토머의 2차 사출에 의해 대체할 수 있다. 즉, 사람에 의한 조립 작업이나 별도 공정을 없앨 수 있는 장점이 있다.

최근 사출성형 업계에서 제품에 맞춘 ‘제조’의 고부가가치화 및 차별화 기술의 개발이 반드시 필요해지고 있다. 이번에 개발한 서브 유닛은 표준적인 사출성형기에 독립된 사출 유닛을 조합해 다색․이재질 성형을 실현함으로써 성형기의 기능성 향상․고부가가치와에 공헌하는 장치이다. 

이 서브 유닛은 IPF 2017에 처음 출품한 이래, NPE 2018과 나고야(名古屋) 플라스틱공업전 2018 등에 출품해 각 전시회에서 관람객의 주목을 모았다(그림 7). 가동이 정지해 있던 기존 성형기에 서브 유닛을 더해, 표준기를 다색․이재질 성형으로 활용할 수 있다는 것에 고객의 반응은 뜨거웠다.

이와 같이 다색․이재질 성형 시장은 수지의 용착성이나 금형 구조의 복잡함에 대응하는 등 해결해야 할 과제는 많지만, 앞으로도 확대해 기술 혁신이 추진될 것으로 기대된다. 동사도 앞으로 다양한 고객 요구에 대응하는 제품을 제공할 수 있도록 계속 개발에 노력해 갈 것이다.